CN113506902A - 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统。本发明包括固体氧化物电池堆模块(SOFC)，质子膜电池模块(PEMFC)，重整氨气模块，控制模块，用电模块，氨气重整模块将氨气裂解为氮气和氢气，并将其供给固体氧化物电池模块，然后剩余的氢气再供给给质子膜电池模块，其过程通过控制模块来调节，用电模块来消耗产生的电能。本发明可以把固体氧化物电池与质子交换膜电池结合起来，最大化两种燃料电池的优势，解决了碳排放问题。该设计方案可以更高效的利用SOFC与PEMFC的各自优势，充分利用SOFC的余热来高效重整氨气，提高氨气转化为氢气的能量转化效率，并且可以利用PEMFC的高体积能量密度，来提高发电系统的综合能量密度。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统。
背景技术
燃料电池是一种由电化学原理控制的能量转换装置，即原电池的工作原理，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能量等温地转化为电能，从而使其实际过程还是安静的氧化还原反应。从理论上讲，使得燃料电池在国际市场上得到广泛关注的原因是它们的运行过程中甚至可以达到近100％的热效率。目前能够在实际中所运用的各种类燃料电池，因为被氢气运输、储运能耗等因素限制，并且考虑到装置或整个系统的耗能，所以一般燃料电池系统总的转换效率多在40％～60％范围内，但是如果要考虑排热利用的话，经过不同的优化处理可以使其总的转换效率可以达80％以上。
固体氧化物燃料电池：Solid oxide fuel cell，简称SOFC，是一种在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是目前几种燃料电池中，理论发电效率最高的一种能源转换装置。SOFC采用具有离子传导特性的氧化物作为电解质，并在电解质两侧装备阴阳两电极，阳极供应燃料，阴极供应氧化剂，在高温下燃料与氧化剂进行电化学反应并安静高效发电。在该系统中，重整后的氨气分解成氮气和氢气，氧离子经过具有离子导电性的电解质与氢气反应生成水蒸气，产生电能和热。其中热能还可以收集起来用于燃料的重整和电池的启动，但是大部分的热能都被浪费掉。
质子交换膜燃料电池：Proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC，它是由阴极、阳极和质子交换膜组成，它的发电原理与SOFC类似，它的发电过程也不涉及氢氧的燃烧，所以不受到卡诺循环的限制，能量转化率高，质子交换膜燃料电池工作温度要比固体氧化物燃料电池低的多，且排放物为水和水蒸气，基本是零污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，且无机械振动，低噪声低热辐射，是一种清洁高效的绿色能源，所以是发展前景很好的燃料电池。由于没有复杂的燃料处理系统，并且直接使用高纯度的氢气，PEMFC的体积和重量能量密度都较高，目前可以达到4kw/l，但是只能使用高纯度的氢气亦是PEMFC发展的局限。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)与质子交换膜燃料电池(PEMFC)混合系统，对于SOFC来说，由于工作温度很高，长时间运行会产生很大的热量，目前都是通过风冷将这部分热量散去，造成了很大程度的能量浪费，所以此部分热量的运用就成了关键；另外就是对于氢燃料电池来说，氢气的运输成本很高，而如何降低成本也是一个非常重要的话题。所以此系统可较好地弥补SOFC和PEMFC两种电池的缺陷，也结合了二者的优点，从而提高了系统整体的效率。本发明采用的技术手段如下：
一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，包括：氨气重整模块、固体氧化物燃料电池、空气供给模块、分离燃气模块、控制模块、用电模块和质子交换膜燃料电池，所述氨气重整模块用于制备供固体氧化物燃料电池阳极使用的气体，所述空气供给模块用于供给固体氧化物燃料电池阴极使用的氧化剂，所述分离燃气模块用于将固体氧化物燃料电池中阳极未参与反应的气体进行分离，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用以控制流入PEMFC的燃气流量，所述第二控制模块用以控制SOFC和PEMFC通入负载的电流和电压，使之稳定地通入负载，所述用电模块为负载，用以消耗SOFC和PEMFC所产生的电流。
进一步地，还包括换热模块，所述氨气重整模块包括氨气供应机构和重整器，所述重整器的一输入端连接在氨气输出端上，另一输入端连接换热模块，所述重整器的输出端与固体氧化物燃料电池的阳极相连，所述固体氧化物燃料电池的阳极的一输出端连接所述换热模块的输入端，通过所述换热模块用于将固体氧化物燃料电池阳极剩余部分氨与阴极剩余空气燃烧后的热量供给空气供给模块。
进一步地，还包括燃烧模块，所述燃烧模块包括燃烧器，所述燃烧器的输入端连接分离燃气模块的输出端和固体氧化物燃料电池阴极的输出端，所述燃烧器的输出端连接在空气供给模块的管路上，用于为进入固体氧化物燃料电池阴极空气加热。
进一步地，所述分离燃气模块包括用于分离出氢气氨气的分离器，分离器包括变压吸附系统或是金属钯膜纯化系统，之后分离出的氢气通过第一控制模块中流量控制器对氢气流量的控制，再进入PEMFC，以达到对输出电流的控制。
进一步地，经过分离燃气模块分离的氢气还用于为质子交换膜燃料电池阴极进口的氧气加热。
进一步地，SOFC和PEMFC所产生的电流，经过第二控制模块中电流电压控制器的调节，再通入负载，以满足负载对电流电压的需求。
本发明氨气重整模块将氨气裂解为氮气和氢气，并将其供给固体氧化物电池模块，然后剩余的氢气再供给质子膜电池模块，其过程通过控制模块来调节，用电模块来消耗产生的电能。本发明可以把固体氧化物电池与质子交换膜电池结合起来，最大化两种燃料电池的优势，解决了碳排放问题。该设计方案可以更高效的利用SOFC与PEMFC的各自优势，充分利用SOFC的余热来高效重整氨气，提高氨气转化为氢气的能量转化效率，并且可以利用PEMFC的高体积能量密度，来提高发电系统的综合能量密度。
同时，本发明使固体氧化物燃料电池系统产生的热量用于氨气的重整，且可以将固体氧化物燃料电池阳极未反应完全的产品氢气继续通入质子交换膜燃料电池，效弥补了单种电池发电效率的不足，该复合系统的功率可达60％以上，高于单种电池系统的功率，同时结合PEMFC高的能量密度，提高了整个发电系统的可利用的场景，包括车用和船用等移动场景的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统结构图。
图中实线为物质流，虚线为热量流。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
燃料电池的主要组成部分按反应原理可以看成由以下四部分组成：阴极、阳极、外部电路和电解质。燃料电池中的阳极和阴极分别通入系统中所需要的燃料气和氧化气。反应过程中，根据电子守恒，燃料气通到阳极之后，在阳极上释放电子，电子紧接着又经外电路的传导而到达阴极，从而与通入阴极的氧气结合并产生离子。在阴极生成的电离子之后在电场力的作用下，以电解质为媒介迁移至阳极上，最后离子又会和燃料气发生反应，这样系统之中就会形成一个回路，并相应产生电流。此外，由于燃料电池自身有电化学反应产生，以及电池本身拥有一定的内阻，这些因素也会使得该燃料电池系统产生一定的热量。燃料电池的阴、阳两极不仅仅具有传导电子的功能，它们也可以作为电池本身氧化还原反应的催化剂，以提高燃料和氧化剂的电化学反应速率。当进入燃料电池的燃料是碳氢化合物时，它的阳极则要求拥有更高的催化活性。多孔结构常用于燃料电池的阴、阳两极，这样的结构设计是为了便于产物的排出以及系统所需反应气体的通入，而电解质的主要作用则是为了分离燃料气和氧化气，并传递离子。
据以上总结，燃料电池的特点为：将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能而不必经过热机过程，所以在整个系统反应之中不受卡诺循环限制，因而其能量转化效率非常高。此外，由于燃料电池自身的电化学过程会产生一定的热量，并且通常不包含或只包含少量的风机等运动部件。因此，与传统发电机组相比较，它的运行更加可靠，维护较少，噪声也会更小。所有这些因素使得燃料电池被公认为是一种很有前途的最佳能源动力装置。
如图1所示，本发明实施例公开了一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，包括：氨气重整模块、固体氧化物燃料电池、空气供给模块、分离燃气模块、控制模块、用电模块和质子交换膜燃料电池，所述氨气重整模块用于制备供固体氧化物燃料电池阳极使用的气体，所述空气供给模块用于供给固体氧化物燃料电池阴极使用的氧化剂，具体地，空气供给设备将空气经过换热通入电池的阴极，用于向燃料电池系统提供氧气，所述分离燃气模块用于将固体氧化物燃料电池中阳极未参与反应的气体进行分离，分离后的高纯氢气经过降温后输送至质子交换膜燃料电池的阳极，质子交换膜燃料电池用于消耗固体氧化物燃料电池所剩余的燃气与氧化剂进行发电，从而最大化的利用热量和氢气。所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块具体为流量控制器，其用以控制流入PEMFC的燃气流量，所述第二控制模块具体为电流电压控制器，其用以控制SOFC和PEMFC通入负载的电流和电压，使之稳定地通入负载，所述用电模块为负载，用以消耗SOFC和PEMFC所产生的电流。
氨气是零碳燃料，是优异的氢载体，氢含量超过17％，远超过液氢。氨气的运输和储存成本远低于氢气，用氨气重整产生氢气，为SOFC阳极供给燃料，避免了运输和储存氢气带来的额外高昂的成本。氨气通过重整器后，产生高浓度的氢气和氮气混合物，通过管路连接至固体氧化物燃料电池的阳极。本发明结合了固体氧化物燃料电池发电效率高，产生的废热可以供氨气重整使用，提高系统整体的发电效率，利用低温质子交换膜燃料电池具有能量密度高的优势来得到一个高电转化效率和高能量密度的发电系统。同时结合低温质子交换膜燃料电池能量密度高的优点，将两种不同种类的燃料电池充分发挥各自的优势。
在固体氧化物燃料电池中，氨气重整所制得的氢气是不完全利用，燃料电池发电时产生的废热供氨气重整使用。为此，还包括换热模块，所述氨气重整模块包括氨气供应机构和重整器，所述重整器的一输入端连接在氨气输出端上，另一输入端连接换热模块，所述重整器的输出端与固体氧化物燃料电池的阳极相连，所述固体氧化物燃料电池的阳极的一输出端连接所述换热模块的输入端，通过所述换热模块用于将固体氧化物燃料电池阳极剩余部分氨与阴极剩余空气燃烧后的热量供给空气供给模块。氨气重整所需热量来自于高温的固体氧化物燃料电池产生的热量，提高了系统整体的发电效率。换热设备将固体氧化物燃料电池阳极剩余部分氨通过与阴极剩余空气燃烧后的热量供给空气供给模块，以提高空气的温度，从而不免低温空气直接进入重整模块
还包括燃烧模块，所述燃烧模块包括燃烧器，所述燃烧器的输入端连接分离燃气模块的输出端和固体氧化物燃料电池阴极的输出端，所述燃烧器的输出端连接在空气供给模块的管路上，用于为进入固体氧化物燃料电池阴极空气加热。所述分离燃气模块包括用于分离出氢气氨气的分离器，分离器包括变压吸附系统(PSA)或是金属钯膜纯化系统，基于此得到高纯氢气通过降温处理可直接进入质子交换膜燃料电池使用，提高了系统的发电效率。燃烧模块将固体氧化物燃料电池阳极剩余部分微量氨气与阴极剩余空气进行混合并燃烧。
剩余的固体氧化物燃料电池阳极尾气会有微量的氨气，SOFC分离出的氢气温度较高，利用这部分热量稍许加热PEMFC阴极进口的氧气，从而避免温度过低的空气直接进入阳极。
本发明具体流程如下：首先将氨气重整，裂解为氮气和氢气，通过使用零碳氨气，达到碳中和的目标，而且避免了储存和运输氢气所带来的技术与成本问题。其中经过氨气重整得到的氢气和氮气混合气，作为固体氧化物燃料电池的燃料气体，先进入固体氧化物燃料电池的阳极，同时经过预热的空气作为氧化剂进入阴极，氢气与空气中的氧气在电池内部没有直接接触，而是通过电解质膜发生电化学反应，从而发出热量并制造电能，产生的热量供氨气重整分解使用。固体氧化物燃料电池中的氢气并没有完全反应，且阳极尾气其中会有微量未裂解的氨气，所以阳极剩余气体通过分离器分成两部分，其中一部分为高纯氢气，其余降温后进入质子交换膜燃料电池模块，供PEMFC发电使用；另一部分为氮气和微量氨气的混合物，通过与阴极剩余的氧气在燃烧模块中燃烧产生热量，这部分热量用来加热空气供给模块的新鲜空气。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，包括：氨气重整模块、固体氧化物燃料电池、空气供给模块、分离燃气模块、控制模块、用电模块和质子交换膜燃料电池，所述氨气重整模块用于制备供固体氧化物燃料电池阳极使用的气体，所述空气供给模块用于供给固体氧化物燃料电池阴极使用的氧化剂，所述分离燃气模块用于将固体氧化物燃料电池中阳极未参与反应的气体进行分离，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用以控制流入质子交换膜燃料电池的燃气流量，所述第二控制模块用以控制固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池通入负载的电流和电压，使之稳定地通入负载，所述用电模块为负载，用以消耗固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池所产生的电流。
2.根据权利要求1所述的使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，还包括换热模块，所述氨气重整模块包括氨气供应机构和重整器，所述重整器的一输入端连接在氨气输出端上，另一输入端连接换热模块，所述重整器的输出端与固体氧化物燃料电池的阳极相连，所述固体氧化物燃料电池的阳极的一输出端连接所述换热模块的输入端，通过所述换热模块用于将固体氧化物燃料电池阳极剩余部分氨与阴极剩余空气燃烧后的热量供给空气供给模块。
3.根据权利要求1或2所述的使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，还包括燃烧模块，所述燃烧模块包括燃烧器，所述燃烧器的输入端连接分离燃气模块的输出端和固体氧化物燃料电池阴极的输出端，所述燃烧器的输出端连接在空气供给模块的管路上，用于为进入固体氧化物燃料电池阴极空气加热。
4.根据权利要求3所述的使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，所述分离燃气模块包括用于分离出氢气氨气的分离器，分离器包括变压吸附系统或是金属钯膜纯化系统，之后分离出的氢气通过第一控制模块中流量控制器对氢气流量的控制，再进入质子交换膜燃料电池，以达到对输出电流的控制。
5.根据权利要求1或4所述的使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，经过分离燃气模块分离的氢气还用于为质子交换膜燃料电池阴极进口的氧气加热。
6.根据权利要求3所述的使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统，其特征在于，固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池所产生的电流，经过第二控制模块中电流电压控制器的调节，再通入负载，以满足负载对电流电压的需求。
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